CN104504185A - 一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，采用热模拟压缩试验，获取其钛合金热变形应力应变数据；采用等距分布的双高速摄影仪，精确测量钛合金热变形的临界开裂变形量；采用FORTRAN语言编制工具，通过二次开发所建立的热变形开裂准则，并将其导入到有限元模拟软件当中，实现钛合金热变形开裂预测与分析。基于此，有效结合所建立的热变形开裂准则与有限元软件，实现系统分析钛合金开坯锻造过程中的开裂行为，并优化了钛合金开坯锻造工艺参数，即变形速度、变形量、型砧类别与进给量的优化。避免了传统锻造工艺反复“试错”所引起的人力与物力消耗，提高了实际生产效率。

Description

一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法

技术领域

本发明属于钛合金热锻成形技术领域，具体地说，涉及一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法。

背景技术

航空发动机的研制是周期长，技术难度大的工程，其独立研制水平代表了各个国家航空工业的发展水平。因而，各国竞相发展高推重比的航空发动机，高推重比的实现，除具备先进的结构设计外，发动机材料的研制成为发动机的重中之重。钛及钛合金是一种重要的新型金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、耐高温的优点，己成为制备航空发动机机匣、叶盘和叶片关键零件的首选材料。然而，这类关键零件通常需要在热态下成形，且加工性差。在热变形时容易出现表面和内部开裂，需要耗费大量的时间打磨表面裂纹，导致产品的生产率和成品率下降，甚至影响产品质量，导致产品报废。因此，研究钛合金在热变形过程中的开裂机理以及通过开裂准则迅速且准确地预测可能出现的开裂行为，成为钛合金先进塑性成形技术发展迫切需要解决的瓶颈问题之一。

半个多世纪以来，国内外科学研究工作者提出了各种韧性断裂的开裂准则。韧性断裂准则应用于金属塑性成形有限元分析，大致可分为非耦合损伤准则和耦合损伤准则两大类；两类准则均是基于冷变形而建立的。现有公开的技术文献“一种测定Ti40钛合金热压缩过程中临界开裂新方法”(材料科学与工程,第553卷,2012年9月,)中提出了基于Zener-Hollomon因子的Ti40钛合金热变形开裂准则。所建立准则虽然已进行二次开发且成功嵌入到有限元模拟软件中，但未见运用该准则来系统分析钛合金开坯热变形开裂行为及优化其工艺参数，并未真正发挥建立热变形开裂准则的最终意义。因此，有效结合所建立的热变形开裂准则和有限元技术系统分析钛合金开坯的热变形工艺并优化其工艺参数，具有重要的工程应用价值。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，通过二次开发所建立的热变形开裂准则，并将其导入到Deform3D有限元软件中，实现钛合金开坯锻造工艺条件，即变形速度、变形量、型砧类别与进给量的优化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定钛合金试样形状及尺寸，在Gleeble3500热模拟试验机上进行热模拟压缩试验，并采用两台Phantom V711高速摄影仪分别放置于压缩仓可视窗口的两侧进行观测，获取热压缩过程合金表面裂纹的起始与扩展的影像文件，以及试验材料的流动应力应变数据建立材料的本构关系；

步骤2.根据热压缩试验所获得的应力应变数据，采用数值计算方法计算合金的热变形激活能Q，基于变形温度T和应变速率计算Zener-Hollomon因子，按以下公式:

$Z=\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\×\exp (Q/\mathrm{RT})$

式中，R为摩尔气体常数；

步骤3.基于所记录的热压缩整个过程合金表面裂纹起始与扩展的影像文件，采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件，对图像进行分帧处理，确立合金临界开裂点，最终采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件对临界开裂图像进行临界开裂变形量的计算；

步骤4.采用金相显微镜、扫描电镜和投射电镜对热压缩后的试样表面宏观裂纹以及内部裂纹进行观察和分析，研究合金的热变形开裂方式以及开裂机制，确立合金开裂诱发应力；

步骤5.基于高速摄影技术测定的临界开裂变形量与计算所得Z因子，通过拟合方式建立可考虑变形温度和应变速率的临界损伤变量描述模型；

步骤6.采用Deform-3D有限元模拟软件，依据上述热模拟压缩试验的热变形参数进行变形-传热耦合分析，基于Deform-3D软件中自带的典型室温开裂准则即Freudental准则、Norris准则、Cockcroft-Latham准则、Oh准则、Brozzo准则和Oyane准则的计算，通过各种准则所预测的开裂位置和损伤变量变化规律与热模拟压缩试验结果比较，确立钛合金热变形的韧性开裂准则，将此准则与临界损伤变量模型相联系，建立钛合金热变形的韧性断裂准则；

步骤7.采用FORTRAN语言编制工具，二次开发热变形开裂准则，并嵌入到Deform-3D有限元模拟软件中，进行不同工艺条件下的钛合金开坯的有限元模拟，实现钛合金热变形的变形－传热－损伤耦合分析，获得系统优化钛合金开坯锻造工艺参数。

有益效果

本发明提出的一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，采用热模拟压缩试验，获取其钛合金热变形应力应变数据；采用等距分布的双高速摄影仪，精确测量了钛合金热变形的临界开裂变形量；采用FORTRAN语言编制工具，通过二次开发所建立的热变形开裂准则，并将其导入到有限元模拟软件当中，实现钛合金热变形开裂预测与分析。基于此，有效结合所建立的热变形开裂准则与有限元软件，实现系统分析钛合金开坯锻造过程中的开裂行为，并优化了钛合金开坯工艺参数，即变形速度、变形量、型砧类别与进给量的优化。避免了传统锻造工艺反复“试错”所引起的人力与物力消耗，提高了实际生产效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法作进一步详细说明。

图1为本发明基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法流程图。

具体实施方式

本实施例是一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法。以Ti60钛合金为例，具体阐述实施方式:

第一步.试验材料采用Ti60钛合金，在Gleeble3500热模拟试验机上进行不同变形温度为970℃、1000℃、1030℃、1060℃、1090℃、1120℃，应变速率为0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1、10s^-1，变形量为30％、45％、60％、75％下的热模拟压缩试验，并采用两台Phantom V711高速摄影仪分别放置于压缩仓可视窗口的两侧进行拍摄，获取整个热压缩过程合金表面裂纹的起始与扩展的图像以及合金的原始流动应力应变数据。

第二步.依据所得的流动应力数据，采用公式数值计算方法，进行计算合金的热变形激活能Q，利用公式(1)计算得到不同变形温度以及应变速率下的Z因子:

$Z=\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\×\exp (Q/\mathrm{RT})---\left(1\right)$

式中，R为摩尔气体常数，T为变形温度，为应变速率。

第三步.基于高速摄影仪拍摄的整个热压缩过程合金表面裂纹起始与扩展的图像，对图像进行分帧处理，确立合金临界开裂点图像，最后采用Image-ProPlus 5.0图像分析软件对临界开裂图像进行标定和计算，进而获得不同变形温度和应变速率下合金的临界开裂变形量。

第四步.通过金相显微镜、扫描电镜和投射电镜对热压缩后的试样表面宏观裂纹以及内部裂纹进行观察和分析，确立Ti60钛合金主要开裂形式以及诱发应力为环向拉应力。

第五步.基于所获得的不同温度和应变速率下临界开裂变形量，以及通过拟合已获得的临界开裂变形量与Zener-Hollomon因子的关系，从而建立可以考虑温度和应变速率相关因素的临界损伤变量描述模型，如公式(2)和(3)所示:

α+β两相区：

C_f＝-25582.3+2406.978LnZ-90.4575(LnZ)²+1.69742(LnZ)³-0.0159(LnZ)⁴+0.0000595(LnZ)⁵   (2)

β单相区：

C_f＝-2.64524+0.88122LnZ-0.06881(LnZ)²-0.000352(LnZ)³-0.000202(LnZ)⁴+0.00000526(LnZ)⁵   (3)

第六步.基于Deform-3D软件中自带的典型室温开裂准则即Freudental准则、Norris准则、Cockcroft-Latham准则、Oh准则、Brozzo准则和Oyane准则，依据热模拟压缩试验参数，进行热压缩试验的有限元模拟分析，对各种准则所预测的开裂位置和损伤变量变化规律与热模拟压缩试验结果比较，得出Freudental准则和Norris准则适用于预测合金心部开裂，而Cockcroft-Latham准则、Oh准则、Brozzo准则和Oyane准则可预测表面开裂，与实际情况相符。由于合金开裂主要由环向拉应力所引起，而Oh准则更好地考虑最大主应力以及等效应力的影响，能够很好地预测损伤位置；因此，以Oh准则为基础以期建立Ti60钛合金的热变形开裂准则；然而，基于冷变形所建立的韧性开裂准则均认为材料的临界损伤值C_f通常为一个常数；对于热变形，合金的临界损伤值不仅仅是温度的函数，还与应变速率的变形参数有关，与上述所建立的临界损伤模型完全一致；用新建立的临界损伤模型与Oh准则力能函数相结合，可得到获得Ti60钛合金的热变形开裂准则，如公式(4)和(5)所示:

α+β两相区:

$\underset{0}{\overset{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f}{\∫}}\frac{{\mathrm{\σ}}^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}d\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=-25582.3+2406.978\mathrm{LnZ}-90.4575{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^2+1.69742{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^3-0.0159{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^4+0.0000595{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^5---\left(4\right)$

β单相区:

$\underset{0}{\overset{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f}{\∫}}\frac{{\mathrm{\σ}}^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}d\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=-2.64524+0.88122\mathrm{LnZ}-0.06881{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^2+0.{000352\left(\mathrm{LnZ}\right)}^3-0.000202{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^4+0.0000526{\left(\mathrm{LnZ}\right)}^5---\left(5\right)$

当公式(4)和(5)左端大于右端时，则认为开裂发生。

第七步.基于Deform-3D有限元模拟软件二次开发平台，采用FORTRAN语言编制工具，二次开发热变形开裂准则，并嵌入到Deform-3D有限元模拟软件中，进行不同型砧类别，即平砧、120°V型砧、U型砧，不同压下量30％、45％、60％，不同进给量120mm、150mm、180mm、210mm、240mm，以及不同压下速度5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s的工艺条件下的钛合金开坯的有限元模拟，实现系统分析不同钛合金开坯参数对合金表面开裂行为的影响，确立优化的钛合金开坯锻造工艺参数，即120°V型砧具有与U型砧相似的拔长效率和防开裂的效果，且实际开坯过程中无需更换模具，比较适合运用于坯料的改锻工序，优化的压下量、进给量以及压下速度分别为30％、120mm、15mm/s。

综上所述，基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，可促进塑性加工理论、损伤力学理论和有限元模拟技术的相互交叉，丰富塑性加工的内涵，推动数值模拟技术向更高层次发展，为钛合金锻件实现智能制造奠定理论基础。与传统的锻造工艺反复“试错”法相比，可大幅度减少新品研制阶段的人力、物力消耗，既可有效避免钛合金热变形开裂，又可以实现锻件组织性能的精确控制。

Claims (1)

1.一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.确定钛合金试样形状及尺寸，在Gleeble3500热模拟试验机上进行热模拟压缩试验，并采用两台Phantom V711高速摄影仪分别放置于压缩仓可视窗口的两侧进行观测，获取热压缩过程合金表面裂纹的起始与扩展的影像文件，以及试验材料的流动应力应变数据建立材料的本构关系；

步骤2.根据热压缩试验所获得的应力应变数据，采用数值计算方法计算合金的热变形激活能Q，基于变形温度T和应变速率计算Zener-Hollomon因子，按以下公式:

$Z=\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\×\exp (Q/\mathrm{RT})$

式中，R为摩尔气体常数；

步骤3.基于所记录的热压缩整个过程合金表面裂纹起始与扩展的影像文件，采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件，对图像进行分帧处理，确立合金临界开裂点，最终采用Image-Pro Plus 5.0图像分析软件对临界开裂图像进行临界开裂变形量的计算；

步骤4.采用金相显微镜、扫描电镜和投射电镜对热压缩后的试样表面宏观裂纹以及内部裂纹进行观察和分析，研究合金的热变形开裂方式以及开裂机制，确立合金开裂诱发应力；

步骤5.基于高速摄影技术测定的临界开裂变形量与计算所得Z因子，通过拟合方式建立可考虑变形温度和应变速率的临界损伤变量描述模型；

步骤6.采用Deform-3D有限元模拟软件，依据上述热模拟压缩试验的热变形参数进行变形-传热耦合分析，基于Deform-3D软件中自带的典型室温开裂准则即Freudental准则、Norris准则、Cockcroft-Latham准则、Oh准则、Brozzo准则和Oyane准则的计算，通过各种准则所预测的开裂位置和损伤变量变化规律与热模拟压缩试验结果比较，确立钛合金热变形的韧性开裂准则，将此准则与临界损伤变量模型相联系，建立钛合金热变形的韧性断裂准则；

步骤7.采用FORTRAN语言编制工具，二次开发热变形开裂准则，并嵌入到Deform-3D有限元模拟软件中，进行不同工艺条件下的钛合金开坯的有限元模拟，实现钛合金热变形的变形－传热－损伤耦合分析，获得系统优化钛合金开坯锻造工艺参数。